faaLmeCHansmen djken
6.3 mAcrOSTABIlITeIT .1 InleIDIng
Onder de stabiliteit van een grondlichaam wordt in deze paragraaf verstaan: de weerstand tegen afschuiving van grote delen van het grondlichaam langs rechte of gebogen glijvlak-ken, dan wel het evenwichtsverlies door het ontstaan van grote plastische zones. Met andere woorden: ‘Het vermogen om belastingen te weerstaan zonder functieverlies ten gevolge van te grote vervormingen’.
Voor analyse van de macrostabiliteit zijn de volgende gegevens nodig:
• Geometrie, dat wil zeggen het ingemeten dwarsprofiel van de waterkering; • Laagopbouw van de ondergrond en het dijklichaam;
• Volumieke gewicht en de (representatieve) sterkte-eigenschappen voor elke laag;
• Belasting: maatgevende ligging van de freatische lijn en waterspanningverloop in de on-dergrond.
STOWA VIW 2008-03 bassnformate djken
FIguur 6.1 AFScHuIVIng BInnenTAluD
De sterkte-eigenschappen en de waterspanningen in en onder grondconstructies bepalen de weerstand tegen afschuiven.
6.3.2 nADere BeScHOuWIng mAcrOSTABIlITeIT Algemeen
Met macrostabiliteit wordt het afschuiven van grote delen van een grondlichaam bedoeld. Dit afschuiven gebeurt langs rechte of gebogen glijvlakken dan wel door plastische zones, waarin door overbelasting geen krachtenevenwicht meer aanwezig is.
De mate van vervorming speelt een belangrijke rol, vanwege de vaak grote stijfheidverschillen tussen enerzijds de bekleding en de grondlagen daaronder en anderzijds de grondlagen ach-ter de kering. Voor de stabiliteitsbeoordeling staan twee verschillende wegen open:
A. Glijvlakberekeningen B. Eindige-elementenmethode
ad A. In de adviespraktijk wordt veelvuldig gebruik gemaakt van glijvlakberekeningen voor een min of meer routinematige beoordeling van bestaande of nieuw ontworpen grondpro-fielen.
Deze aanpak leidt in normale situaties tot een voldoende betrouwbaar resultaat en is erg aantrekkelijk door de relatieve eenvoud van het rekenmodel in vergelijking met een eindige-elementenmethode.
Ad B. Bij een eindige-elementenmethode moet in elk punt van de grond de spanningstoestand worden bepaald. Vanwege het statisch onbepaalde karakter van grondconstructies moeten hierbij ook de vervormingen van de grond worden betrokken. De spanningsvervormingsrela-ties van de grond moeten dus bekend zijn. Het voordeel van deze benadering is, dat de bere-kening zelf de zone aangeeft waar het potentiële glijvlak zich ontwikkelt, terwijl het ook een vrij volledig inzicht geeft in de spanningen en vervormingen in het grondmassief.
VIW 2008-03 / RWS WD 2008.010: BASISINFORMATIE DIJKEN
76
het evenwichtsverlies door het ontstaan van grote plastische zones. Met andere woorden: ‘Het vermogen om belastingen te weerstaan zonder functieverlies ten gevolge van te grote vervormin-gen ’.
Voor analyse van de macrostabiliteit zijn de volgende gegevens nodig: Geometrie, dat wil zeggen het ingemeten dwarsprofiel van de waterkering; Laagopbouw van de ondergrond en het dijklichaam;
Volumieke gewicht en de (representatieve) sterkte-eigenschappen voor elke laag; Belasting : maatgevende ligging van de freatische lijn en waterspanningverloop in de
on-dergrond.
FIGUUR 6.1 AFSCHUIVING BINNENTALUD
De sterkte-eigenschappen en de waterspanningen in en onder grondconstructies bepalen de weerstand tegen afschuiven.
6 . 3 . 2 N A D E R E B E S C H O U W I N G MA C R O S T A B I L I T E I T
Algemeen
Met macrostabiliteit wordt het afschuiven van grote delen van een grondlichaam bedoeld. Dit af-schuiven gebeurt langs rechte of gebogen glijvlakken dan wel door plastische zones, waarin door overbelasting geen krachtenevenwicht meer aanwezig is.
De mate van vervorming speelt een belangrijke rol, vanwege de vaak grote stijfheidverschillen tussen enerzijds de bekleding en de grondlagen daaronder en anderzijds de grondlagen achter de kering. Voor de stabiliteitsbeoordeling staan twee verschillende wegen open:
A. Glijvlakberekeningen B. Eindige-elementenmethode
ad A. In de adviespraktijk wordt veelvuldig gebruik gemaakt van glijv lakberekeningen voor een min of meer routinematige beoordeling van bestaande of nieuw ontworpen grondprofielen.
STOWA VIW 2008-03 bassnformate djken
FIguur 6.2 mAcrO-InSTABIlITeIT BInnenTAluD
BelASTInggeVAllen
Voor de macrostabiliteit zijn verschillende belastinggevallen te onderscheiden (zie stroom-schema in figuur 6.3). Zo dient zowel de stabiliteit van het binnentalud als de stabiliteit van het buitentalud te worden beschouwd. Een ander onderscheid is te maken in de stabiliteit in de bouwfase en de stabiliteit in de eindfase.
STABIlITeIT BInnenTAluD
Voor de stabiliteit van het binnentalud is of de situatie bij maatgevend hoogwater of de situa-tie bij extreme neerslag bepalend. Het tijdsafhankelijke karakter van de grondwaterstroming kan in rekening worden gebracht. Met name langs de kust en in het benedenrivierengebied kan dit van grote invloed zijn.
Bij het beschouwen van de macrostabiliteit van het binnentalud tijdens de situatie van maat-gevend hoogwater moet onderscheid worden gemaakt tussen het geval dat afdekkende klei- en veenlagen op een ondergrond door hoge potentialen in het watervoerende pakket al dan niet worden opgedrukt
STABIlITeIT BuITenTAluD
Voor de stabiliteit van het buitentalud is een ongunstige combinatie van hoge grondwater-stand in de dijk bij een snelle daling van de watergrondwater-stand voor de dijk, of de situatie bij extreme neerslag bepalend. De relatie tussen de macrostabiliteit van het buitentalud enerzijds en zet-tingvloeiing en afschuiven van de vooroever anderzijds wordt behandeld in 6.7.
77
Deze aanpak leidt in normale situaties tot een voldoende betrouwbaar resultaat en is erg aan-trekkelijk door de relatieve eenvoud van het rekenmodel in vergelijking met een eindige-elementenmethode.
Ad B. Bij een eindige-elementenmethode moet in elk punt van de grond de spanningstoestand worden bepaald. Vanwege het statisch onbepaalde karakter van grondconstructies moeten hier-bij ook de vervormingen van de grond worden betrokken. De spanningsvervormingsrelaties van de grond moeten dus bekend zijn. Het voordeel van deze benadering is, dat de berekening zelf de zone aangeeft waar het potentiële glijvlak zich ontwikkelt, terwijl het ook een vrij volledig in-zicht geeft in de spanningen en vervormingen in het grondmassief.
FIGUUR 6.2 MACRO-INSTABILITEIT BINNENTALUD
Belastinggevallen
Voor de macrostabiliteit zijn verschillende belastinggevallen te onderscheiden (zie stroomsche-ma in figuur 6.3). Zo dient zowel de stabiliteit van het binnentalud als de stabiliteit van het bui-tentalud te worden beschouwd. Een ander onderscheid is te maken in de stabiliteit in de bouw-fase en de stabiliteit in de eindbouw-fase.
Stabiliteit binnentalud
Voor de stabiliteit van het binnentalud is of de situatie bij maatgevend hoogwater of de situatie bij extreme neerslag bepalend. Het tijd safhankelijke karakter van de grondwaterstroming kan in rekening worden gebracht. Met name langs de kust en in het benedenrivierengebied kan dit van grote invloed zijn.
STOWA VIW 2008-03 bassnformate djken
FIguur 6.3 STrOOmScHemA BeOOrDelIng mAcrOSTABIlITeIT
STABIlITeIT TIjDenS De uITVOerIng
Naast beoordeling van een dijkversterkingontwerp voor de volledig geconsolideerde eindsitu-atie, moet ook de stabiliteit gedurende de verschillende uitvoeringsfasen worden berekend. In de uitvoeringsfase zal de veiligheid tegen dijkdoorbraak als gevolg van instabiliteit voldoende gewaarborgd moeten zijn. Het beoogde ontwerp zal technisch realiseerbaar moeten zijn. In deze fase zal ook moeten worden nagegaan in welk tempo en in welke dikte de diverse lagen van de ophoging kunnen worden aangebracht.
Men moet zich realiseren dat de eindsituatie, zijnde 100% consolidatie, pas na lange tijd wordt bereikt. Gedurende een langere periode heeft de waterkering dus een lagere veiligheid.
STABIlITeIT BIj OpDrIjVen en OpBArSTen
Bij het beschouwen van de macrostabiliteit van het binnentalud in de situatie van maat-gevend hoogwater moet worden gecontroleerd of afdekkende klei- en veenlagen door hoge potentialen in een onderliggende, watervoerende zandlaag al dan niet worden opgedrukt. Indien rekening moet worden gehouden met opdrukken (als de veiligheid tegen opdrukken kleiner is dan 1,2) dient onderscheid te worden gemaakt tussen:
a. Opdrijven (figuur 6.4). Bij opdrukken kan zich de situatie voordoen dat het gehele afdekkende pakket gaat drijven (opdrijven);
b. Opbarsten (figuur 6.5). Bij opdrukken kan zich ook de situatie voordoen dat de laag ten gevolge van de overdruk kapot gaat (opbarsten). Opbarsten kan optreden bij relatief ger-inge dikte van het slappe lagenpakket.
VIW 2008-03 / RWS WD 2008.010: BASISINFORMATIE DIJKEN
78
Bij het beschouwen van de macrostabiliteit van het binnentalud tijdens de situatie van maatge-vend hoogwater moet onderscheid worden gemaakt tussen het geval dat afdekkende klei- en veenlagen op een ondergrond door hoge potentialen in het watervoerende pakket al dan niet worden opgedrukt
Stabiliteit buitentalud
Voor de stabiliteit van het buitentalud is een ongunstige combinatie van hoge grondwaterstand in de dijk bij een snelle daling van de waterstand voor de dijk, of de situatie bij extreme neerslag bepalend. De relatie tussen de macrostabiliteit van het buitentalud enerzijds en zettingvloeiing en afschuiven van de vooroever anderzijds wordt behandeld in 6.7.
FIGUUR 6.3. STROOMSCHEMA BEOORDELING MACROSTABILITEIT
Stabiliteit tijdens de uitvoering
Naast beoordeling van een dijkversterkingontwerp voor de volledig geconsolideerde eindsitua-tie, moet ook de stabiliteit gedurende de verschillende uitvoeringsfasen worden berekend. In de uitvoeringsfase zal de veiligheid tegen dijkdoorbraak als gevolg van instabiliteit voldoende gewaarborgd moeten zijn. Het beoogde ontwerp zal technisch realiseerbaar moeten zijn. In deze fase zal ook moeten worden nagegaan in welk tempo en in welke dikte de diverse lagen van de ophoging kunnen worden aangebracht.
STOWA VIW 2008-03 bassnformate djken
FIguur 6.4 OpDrIjVen
FIguur 6.5 OpBArSTen
ad a. We beschouwen een situatie met ‘opdrijven’ (figuur 6.4). In een normale situatie, met lage waterstand, ontleent het grondlichaam binnenwaarts een zekere steun aan het grond-lagenpakket. Bij hoogwater zal dit grondlagenpakket gaan opdrijven. De schuifweerstand in de actieve zone zal dan, als residuele schuifsterkte, vrijwel geheel zijn gemobiliseerd. De hori-zontale kracht in figuur 6.6 die door de potentieel afschuivende grondmoot wordt uitgeoe-fend, Fa, wordt in het passieve gebied enerzijds door schuifspanningen, Fs, overgedragen aan het pleistoceenzand, en anderzijds door de horizontale gronddruk, Fp, buiten de opdrijfzone tegengewerkt. Bij hoge waterstanden neemt de opwaartse potentiaal in het zandpakket toe en vermindert de korrelspanning op het scheidingsvlak tussen slappe lagen en zand, en na enige tijd ook in de onderste zone van de slappe lagen zelf. Hierdoor neemt de maximaal mobili-seerbare schuifweerstand Fs in deze zone af.
Bij plaatselijk opdrijven gaat de weerstand op het scheidvlak geheel verloren: de opgedrukte grondlaag achter de dijk gaat zich gedragen als een slappe ‘drukstaaf’, omdat de horizontale schuifspanningen niet meer kunnen worden afgedragen naar de zandondergrond. Er moet dan een extra horizontale kracht worden gemobiliseerd in het achter de opdrijfzone gelegen gebied.
VIW 2008-03 / RWS WD 2008.010: BASISINFORMATIE DIJKEN
79
Men moet zich realiseren dat de eindsituatie, zijnde 100% conso lidatie, pas na lange tijd wordt bereikt. Gedurende een langere periode heeft de waterkering dus een lagere veiligheid.
Stabiliteit bij opdrijven en opbarsten
Bij het beschouwen van de macrostabiliteit van het binnentalud in de situatie van maatgevend hoogwater moet worden gecontroleerd of afdekkende klei- en veenlagen door hoge potentialen in een onderliggende, watervoerende zandlaag al dan niet worden opgedrukt.
Indien rekening moet worden gehouden met opdrukken (als de veiligheid tegen opdrukken kleiner is dan 1,2) dient onderscheid te worden gemaakt tussen:
a. Opdrijven (figuur 6.4). Bij opdrukken kan zich de situatie voordoen dat het gehele afdek-kende pakket gaat drijven (opdrijven);
b. Opbarsten (figuur 6.5). Bij opdrukken kan zich ook de situatie voordoen dat de laag ten ge-volge van de overdruk kapot gaat (opbarsten). Opbarsten kan optreden bij relatief geringe dikte van het slappe lagenpakket.
FIGUUR 6.4 OPDRIJVEN
FIGUUR 6.5 OPBARSTEN
79
Men moet zich realiseren dat de eindsituatie, zijnde 100% conso lidatie, pas na lange tijd wordt bereikt. Gedurende een langere periode heeft de waterkering dus een lagere veiligheid.
Stabiliteit bij opdrijven en opbarsten
Bij het beschouwen van de macrostabiliteit van het binnentalud in de situatie van maatgevend hoogwater moet worden gecontroleerd of afdekkende klei- en veenlagen door hoge potentialen in een onderliggende, watervoerende zandlaag al dan niet worden opgedrukt.
Indien rekening moet worden gehouden met opdrukken (als de veiligheid tegen opdrukken kleiner is dan 1,2) dient onderscheid te worden gemaakt tussen:
a. Opdrijven (figuur 6.4). Bij opdrukken kan zich de situatie voordoen dat het gehele afdek-kende pakket gaat drijven (opdrijven);
b. Opbarsten (figuur 6.5). Bij opdrukken kan zich ook de situatie voordoen dat de laag ten ge-volge van de overdruk kapot gaat (opbarsten). Opbarsten kan optreden bij relatief geringe dikte van het slappe lagenpakket.
FIGUUR 6.4 OPDRIJVEN
STOWA VIW 2008-03 bassnformate djken
FIguur 6.6 BeScHOuWDe krAcHTen In DrukSTAAFmODel
Voor alle duidelijkheid: tot deze categorie behoort ook de situatie waarin weliswaar van opdrijven nog geen sprake is, maar waar wel op het contactvlak tussen het slappe lagenpakket en het diepe zand door potentiaalstijging een aanzienlijke reductie optreedt van de schuif-weerstand.
Het berekenen van de stabiliteit volgens het drukstaafmodel is in het jaar 2000 vernieuwd. Het nieuwe model sluit perfect aan bij de methode Bishop. Voor een situatie met een druk-staaflengte die naar nul gaat levert het nieuwe model exact de Bishop-stabiliteitsfactor [23]. ad b. Bij opbarsten van de aan de binnenzijde aanwezige klei- en/of veenlagen kunnen we er vanuit gaan dat de sterkte van de opgebarsten laag ernstig is aangetast. Een normale Bishop analyse met c = 0 en ϕ = 0 in de opbarstzone is dan een veilige benadering. Aan de passieve zijde wordt dan alleen rekening gehouden met het eigen gewicht van deze lagen als tegenwer-kende kracht. De schuifsterkte wordt in het passieve deel van het glijvlak gelijk aan nul. Deze benadering levert een veilig, maar wel enigszins overgedimensioneerd ontwerp op.
6.4 mIcrOSTABIlITeIT